摘要：在桥梁基础水下深基坑施工中，钢板桩围堰是保证桥梁质量的可靠技术，也直接影响施工人员的生命安全。文中以某跨河特大桥1#主墩承台钢板桩围堰设计为例，介绍了水下深基坑钢板桩围堰结构设计与施工方法，为同类工程提供借鉴。
关键词：桥梁；水下深基坑；钢板桩围堰；设计与施工
前言
钢板桩围堰是水下深基坑施工中最常用的一种板桩围堰，其具有强度高、接合紧密不易漏水、施工效率高、可多次重复使用等优点，是大跨径跨河桥梁水下基础施工中合理可行的临时辅助措施，近年来在桥梁施工中得到广泛应用。
本文以某座跨河特大桥工程的1号主墩基础施工为例，介绍了水下深基坑钢板桩围堰的结构设计及施工，并根据深基坑承台围堰施工中出现的各种不利工况，运用Midas/civil软件对钢板桩及支撑系统的内力等指标进行了验算，为桥梁深水承台钢板桩围堰施工提供经验借鉴。
1 工程概况
该特大桥主桥为三跨连续变截面组合桁架梁桥，其跨径布置为80m+130m+80m，总长290m，主桥1#、2#墩位于主河道内（本文仅以1#墩为例进行分析）。下部结构采用“承台+群桩”基础，每个承台尺寸为46.75mx14.5mx4m，一个墩位处布置钻孔灌注桩48根，桩径1.5m，桩长70m。
海河常水位1.5m，50年遇水位2.73m。1号墩位处河底淤泥顶标高-1.45m，常水位水深2.95m，50年遇水深4.15m。承台全部位于河床下，承台顶标高-7m，承台厚4m，封底混凝土为1.0m，基坑底到河底淤泥顶为10.55m，到50年遇水位为14.73m。
2 钢板桩围堰设计
结合场地条件、桥梁施工工艺、工期、地质情况等因素，工程基坑采用钢板桩+五道钢支撑的支护体系。支护体系宽为16.152m，长47.402m（承台边距钢板桩0.6m），深度15.2ｍ（包括封底厚度1.0ｍ），钢板桩长27m，桩底标高-23.8m，入土深度11.8m。五道支撑中第一道支撑标高1.5m，到设计水位1.23m，第二、三、四、五道撑标高分别为-1.3m、-3.8m、-6.3m、-9.1m。钢板桩围堰、承台结构及地层的相对关系如图１所示。
基坑平面共设置四处横撑，四处角撑，四处八字撑，其中横撑中间设置临时托柱（D630X10钢管），如图2所示。
图1 钢板桩围堰、承台结构及地层的相对关系立面
图2 钢板桩围堰支护平面图（二分之一）
拉森钢板桩采用型号为PU28-1，钢材牌号为S355GP，强度设计值310MPa，围堰设计如下。
3 钢板桩围堰主要施工流程
工程钢板桩围堰施工工艺流程主要分为23个阶段：（1）打入钢板桩；（2）架设第一道内撑，H=1.5m；（3）第一次降水，至H=-1.8m；（4）架设第二道内撑，H=-1.3m；（5）第二次降水，至H=-4.3m；（6）架设第三道内撑，H=-3.8m；（7）第三次降水，至H=-6.8m；（8）架设第四道内撑，H=-6.3m；（9）第四次降水，至H=-9.9m；（10）架设第五道内撑，H=-9.4m；（11）第五次降水并开挖，至H=-12.0m；（12）封底混凝土施工，回至H=-11.0m；（13）拆除第五道内撑，回H=-9.4m；（14）承台施工；（15）回填并浇注传力板带；（16）至（22）：按照先回填后拆除内撑的工序，直至拆除第一道内撑；（23）拔出钢板桩。部分施工流程图如图3和图4所示。
图3 降水、架设内撑至施工封底混凝土 图4 承台施工、回填和浇注传力板带
4 钢板桩围堰结构计算和结果
4.1 工程地质资料
根据地质勘测资料，1#墩土层参数取值见表1所列。
表1 1#墩土层参数表
4.2 钢板桩及内支撑材料
（1）钢板桩采用PU28-1型拉森桩，材质SY355GP，强度控制值：[σ]＝310Mpa，分项系数γ=1.25，强度实际控制值：[σ]＝248Mpa。
（2）钢对撑、腰梁和托柱采用Q235钢材，强度控制值：[σ]＝205MPa；分项系数γ=1.25，强度实际控制值：[σ]＝164Mpa。
4.3 计算工况和计算模型
根据第3部分的主要施工流程，选取其中的关键施工流程作为计算工况进行结构验算，工况统计见表2。
表2 结构验算工况统计表
计算软件采用Midas通用有限元软件，计算模型如图7所示。其中，钢板桩采用梁单元，支撑采用梁单元，封底砼采用只受压单元。整个钢板桩围堰划分为5420个单元，共计4938个节点。
图7 钢板桩围堰整体计算模型渲染图
同时，模型计算时进行如下假定：① 土对支护结构的作用采用郎肯土压力理论。② 土对桩基的侧向支撑作用采用m法。③ 钢板桩竖向支撑采用刚性支撑。④ 钢板桩强度验算时，截面参数折减60%（参照日本规范）。⑤ 钢板桩的刚度验算时，截面参数折减用45%（参照日本规范）。
4.4 位移和应力计算结果
表3 钢板桩围堰系统计算结果
在13个工况下，取钢板桩围堰系统位移和应力的包络值（最大值），计算结果见表3。钢板桩位移和应力最大值如图8至图9所示。
由表3可知：围堰系统设计的各种指标均满足规范要求，满足大桥主墩承台在各种工况下安全施工的要求。
图8 钢板桩最大位移工况变形图 8 钢板桩最大应力工况分布图
4.5坑底抗隆起稳定验算
根据《建筑基坑支护技术规程》公式4.2.4-1，验算坑底抗隆起安全系数：
满足规范对二级支护结构的要求。
4.6 支撑嵌固稳定验算
根据《建筑基坑支护技术规程》公式4.2.2，嵌固稳定安全系数为：
满足规范对二级支撑式支护结构的要求。
5 结语
目前，该特大桥主墩水中承台已完成施工。在施工过程中钢板桩围堰严格按照设计方案实施，在每种工况中都对围堰的位移及变形进行观测，结果显示钢板桩及支撑的位移、变形都符合规范要求。采用钢板桩围堰达到了成本低、进度快、回收率高、操作方便、安全可靠的预期目标，得到了建设单位及相关专家的认可，也可为同类桥梁水下深基坑钢板桩围堰设计与施工提供借鉴。
参考文献：
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[5]汪正荣.简明施工计算手册（第三版）[M].中国建筑工业出版社，2005
[6]葛俊颖.桥梁工程软件Midas/civil使用指南[M].人民交通出版社，2007
论文作者:王建超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
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